CN112058936A - 斜齿轮的冷挤压成型工艺 - Google Patents

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Abstract

一种斜齿轮的冷挤压成型工艺，具体包括以下步骤：1)对棒料依次进行球化退火、抛丸和磷皂化处理；2)将步骤1)处理好的棒料置于冷挤压模具中，使棒料形成带有所需要的螺旋齿槽的成型坯料；3)将步骤2)的成型坯料置于镦挤成型模具中，使坯料的头部镦粗，得到锻件；4)将步骤3)的锻件进行等温正火处理，使齿轮达到产品技术要求。本发明采用旋转下模架构，下模在材料流动时产生的径向力作用下自由旋转，从而达到形成螺旋角的要求；采用三种行程的挤压速度，使零件齿形填充完整；采用两套液压***，消除由于脱模造成的弹性变形和齿侧的摩擦变形。

Description

斜齿轮的冷挤压成型工艺
技术领域
本发明涉及的是一种齿轮的冷挤压领域的技术，具体是一种斜齿轮的冷挤压成型工艺。
背景技术
齿轮广泛应用于汽车变速中。由于斜齿轮带有螺旋槽，其结构复杂，齿轮精度要求高，目前主要采用滚齿、插齿、磨齿或珩齿等加工方式，但是机加工存在以下问题：工序多、材料利用率低、加工效率慢，以及生产成本高。
采用冷挤压成型加工能够弥补机械加工的不足，通过设备压力的运动把需要挤压的棒料压入带有螺旋齿槽的模腔内，金属材料沿齿槽流动，最终形成斜齿轮。这种冷挤压方式可以分为无阻力挤压和有阻力挤压。
无阻力挤压是设备主液压***输出压力把棒料压入下模，金属在液压力的作用下沿模具内的螺旋齿槽流动，金属的流动速度、成型角度、齿形的饱和度等均取决于设备主液压***的输出压力的大小。这种成型方式由于是单项作用力，所以存在齿形、齿向填充不足或由于过于充足造成无法顶出的缺陷，成型的难度很大。
有阻力挤压是设备主液压***输出压力吧棒料压入下模，金属在液压力的作用下沿模具内的螺旋齿槽流动，此时安装在下模底端的弹簧机构产生向上的阻力，使零件在成型时保持稳定的压力差，在一定程度上避免金属自由流动带来的加速情况，保证流动速度相对稳定。这种成型方式从本质上看还是属于单向作用力的形式，弹簧作用力的大小取决于设备液压***输出力的大小且无法按实际情况调整，试验证明这种结构仍然存在齿形、齿向无法充足的情况。此外，由于无法准确通过计算来选择弹簧的型号和强度，在批量生产中由于弹簧老化，会影响挤压成型质量的稳定性。
发明内容
本发明针对现有机加工技术存在的上述不足，提出一种斜齿轮的冷挤压成型工艺，能够提高材料利用率和生产率，降低生产成本，提升零件强度和力学性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明具体包括以下步骤：
步骤1)对棒料依次进行球化退火、抛丸和磷皂化处理；
步骤2)将步骤1)处理好的棒料置于冷挤压模具中，采用三种挤压速度行程，经压力作用进行塑性变形沿齿槽进行塑性流动并产生圆周方向旋转的推力，使棒料形成带有所需要的螺旋齿槽的成型坯料；
坯料成型后，随着模具向上运动，齿坯在向上顶出力的作用下产生向圆周方向的反推力并带动模具反向旋转，坯料脱模；
步骤3)将步骤2)的成型坯料置于镦挤成型模具中，经压力作用进行塑性变形沿齿槽进行塑性流动并产生圆周方向旋转的推力，使坯料的头部镦粗，得到锻件；
锻件成型后，随着模具向上运动，锻件在向上顶出力的作用下产生向圆周方向的反推力并带动模具反向旋转，锻件脱模；
步骤4)将步骤3)的锻件进行等温正火处理，使齿轮达到产品技术要求。
所述的冷挤压模具包括：由外而内依次设置的模筒、凹模、上冲头和下顶杆，其中：模筒和凹模之间设有轴承，上冲头和下顶杆对应设置并与上下液压***相联，棒料位于上冲头和下顶杆之间。
所述的凹模的中央设有螺旋齿槽。
所述的冷挤压模具的上冲头通过设备滑块与上液压***相连，下顶杆与下液压***相连。
所述的上液压***包括：设备主液压***的液压缸、液压油路、主液压电子控制***，并和设备滑块连接。控制上冲头的行程、位置和设备挤压力。
所述的下液压***包括：设备顶出液压***的液压缸、液压油路、顶出液压电子控制***，该电子***和主控制***连接，实现同步控制的目的。同时控制下顶杆的行程、位置和保持力。
所述的冷挤压模具、上液压***和下液压***分别与控制模块相连，该控制模块包括：压力控制单元、包括液压行程的正向和反向的行程控制的行程控制单元、限位及制动控制单元以及压力补偿单元，其中：压力控制单元与设备滑块、上模、下模顶杆相连并传输挤压力、顶出力等液压力信息，行程控制单元与设备滑块、上模、下模顶杆相连并传输挤压、顶出行程速度等信息，限位及制动控制单元与设备机械、电子限位相连并传输零件挤压到位后的制动、反向运动等信息，压力补偿单元与压力控制***相连并传输保持上下液压***压力按设定要求保持稳定输出和自动调整的信息。
所述的镦挤成型模具与冷挤压模具相比，上冲头的尺寸为适用于坯料头部镦粗的尺寸。
所述的三种挤压速度行程是指：当棒料进入模具时，采用快速行程使棒料准确定位并导入模具；当棒料进行挤压时，采用逐步上升的挤压力，内部应力也会随之提高，此时的挤压速度配合压力的变化减慢，从而达到更大的挤压力；当棒料的挤压尺寸到位后，上冲头会延迟1～2秒，产生静压力，使齿槽填充完全。
技术效果
与现有技术相比，本发明采用旋转下模架构，下模在材料流动时产生的径向力作用下自由旋转，从而达到形成螺旋角的要求，并通过上下模接触后的静态压力进行充分填充，从而使零件齿形饱满；采用三种行程的挤压速度，使零件齿形填充完整；采用两套液压***，上液压***保持设备滑块能够正常运动，下液压***作为上液压***的辅助，使材料能够沿模腔内的螺旋齿槽进行流动并成型，在脱模时，上液压***保持压力且下液压***产生向上的顶出力，共同使锻件从旋转的模具内沿齿槽脱模，消除由于脱模造成的弹性变形和齿侧的摩擦变形。
本发明利用冷挤压设备中目前的主液压和顶出液压两套***，采用中央控制集成，使两套液压***实现联动。通过稳定的压力***作用，使金属材料在有螺旋槽的模具中进行流动，可以有效按照产品实际成型情况，分别调节相应的参数，从而形成所需要的齿形和齿向。采用本发明挤压成型的斜齿轮，其精度可以达到国标6级，达到滚齿加工成型的精度，其齿面粗糙度高于滚齿加工后的粗糙度。而且避免了上述两种成型工作存在问题，完全具备了批量生产和产业化的条件。
下表附件为挤压后测量的齿轮主要数据，从数据分析看，冷挤压后的齿轮精度满足原先机械加工的技术要求，并且达到国家标准6级精度的要求
Figure BDA0002088923270000031
附图说明
图1为锻件形成过程的示意图；
图中：a为棒料的示意图；b为坯料的示意图；c为锻件的示意图；
图2为正挤压斜齿轮模具的结构示意图；
图3为镦挤整形模具的结构示意图；
图中：棒料1、坯料2、锻件3、模筒4、轴承5、凹模6、上冲头7、下顶杆8、螺旋齿槽9。
具体实施方式
如图2所示，本实施例涉及的冷挤压模具包括：由外而内依次设置的模筒4、凹模6、上冲头7和下顶杆8，其中：模筒4和凹模6之间设有轴承5，上冲头7和下顶杆8对应设置并与上下液压***相联，棒料1位于上冲头7和下顶杆8之间。
所述的凹模6的中央设有螺旋齿槽9。
所述的冷挤压凹模6的齿槽口部位置设有定位孔和导向孔，其中：定位孔的齿槽底径、齿两侧和已经预成型的毛坯齿外径间隙为0.1mm，深度2-4mm，定位孔深度方向不设置斜角；导向孔位于定位孔的后部，导向孔齿槽两侧、齿槽底径分别设置10°的导向斜角。
本实施例具体包括以下步骤：
1)下料：用圆盘锯按照工艺要求及材料消耗将原材料分割为等长且等质量的棒料1，如图1a所示。
2)球化退火：将棒料1置于井式炉或退火炉中，通过控制加热温度、加热时间、保温温度和保温时间改变原始金相组织，形成均匀分布的颗粒状或球状珠光体并达到满足挤压性能的要求。
3)抛丸：对步骤2)的产物运用挂式抛丸机进行抛丸处理，去除棒料1表面的氧化皮和残留杂质。
4)磷皂化处理：对步骤3)处理后的棒料1进行磷皂化处理，先进行磷化，形成磷化膜，经水洗后再进行皂化，使其表面附有皂化膜，而后烘干，增加了棒料1表面的润滑性。
5)正挤压开齿槽：将步骤4)处理后的棒料1采用三种挤压速度行程，首先设备上液压***采用快速行程置于冷挤压模具中，具***于直壁孔内，随后上冲头随着压力机的滑块向下移动将棒料1压入带齿槽的凹模6中并与下顶杆8的端面接触，棒料1在模腔内进行挤压时，压力逐步上升并在压力的作用下进行塑性变形沿齿槽进行塑性流动，产生向圆周方向旋转的推力，带动凹模6通过轴承在模筒4内旋转，下顶杆8由下液压***控制使其一直与棒料1接触并配合上冲头7一起向下运动，当达到挤压尺寸后，上冲头7会延迟1～2秒，此时上下液压***压力保持稳定，产生静压力使棒料1齿形填充完整，形成带有所需要的螺旋齿槽9的坯料2，如图1b所示；下顶杆8在下液压***的作用下向上运动，以及上冲头7利用上液压***保持压力并与下顶杆8同步向上运动，使齿坯在向上顶出力的作用下产生圆周方向的反向推力，带动凹模6在模筒4内反向旋转，完成坯料2脱模并克服脱模产生的反弹变形。
6)成型斜齿轮：将步骤5)处理后的坯料2置于镦挤成型模具，旋转坯料2使部分坯料2由导向机构进入凹模6中，此时的坯料2的端面和凹模6内的下顶杆8的上端面接触，然后和上液压***联接的压力机滑块向下运动，同时下液压***保持下顶杆同步向下运动，坯料2在上冲头7的作用下，沿模具6的齿槽进行塑性流动，产生圆周方向旋转的推力并带动凹模通过轴承5，使坯料2在模筒4内旋转，下液压***控制的下顶杆8始终与坯料2保持接触并一起向下运动，当下顶杆8运动至顶出位置时，下液压***控制其运动停止运动，而上冲头7在上液压***控制下继续向下运动，坯料2在向下的压力作用下形成头部镦粗，得到最终的锻件3，如图1c所示；镦粗完成后，下顶杆8在下液压***作用下向上运动，上冲头7由上液压***保持一定压力同步向上运动，斜齿轮锻件3在向上顶出力的作用下产生圆周方向的反向推力，带动凹模6在模筒4内反向旋转，形成脱模并克服脱模产生的反弹变形，当斜齿轮锻件3离开凹模6的齿形部后，上冲头7离开锻件3的上端面，而下顶杆8继续向上运动至锻件3离开凹模6。
如图3所示，所述的镦挤成型模具与冷挤压模具相比，上冲头7的尺寸为适用于坯料2头部镦粗的尺寸。
7)等温正火：采用带保护气氛的等温正火炉，对步骤6)处理后的锻件3进行等温正火处理，使其齿轮内部金相组织、表面脱碳和硬度达到产品技术要求。
所述的等温正火是指：通过加热至900℃以上，将钢材内部的晶粒奥氏体化，冷却后使钢材组织转变为均匀的珠光体和铁素体组织，以获得较好的加工性能和力学性能的一种热处理工艺。
经过具体实际实验，在正常生产环境下，对目前液压冷挤压机进行PLC模块、上下液压***等部件的改造后，以批量生产的参数运行上述方法，能够得到的实验数据是：从齿形、齿向、齿跳、M值变动量等关键技术指标均达到国家齿轮标准6级精度或更高。
与现有技术相比，本方法的性能指标提升在于：第一，采用稳定的上下液压***代替下模弹簧阻尼结构，解决了在调试阶段由于无法得到压力数据而通过经验不断更换弹簧型号的被动做法，同时避免了长期生产中由于弹簧老化而造成产品质量不稳定的情况。第二，采用上下液压***分别进行动力输出，并通过设备总的控制***对上下液压压力、液压行程和速度进行合理分配和设置，在调试过程中可以通过对产品的检测数据对控制***参数进行修改，方式简单快捷、效率极高。在批量生产中通过液压***的报警装置可以及时发现纠正问题，保证产品质量的稳定性。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种斜齿轮的冷挤压成型工艺，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)对棒料依次进行球化退火、抛丸和磷皂化处理；
2)将步骤1)处理好的棒料置于冷挤压模具中，采用三种挤压速度行程，经压力作用进行塑性变形沿齿槽进行塑性流动并产生圆周方向旋转的推力，使棒料形成带有所需要的螺旋齿槽的成型坯料；
坯料成型后，随着模具向上运动，齿坯在向上顶出力的作用下产生向圆周方向的反推力并带动模具反向旋转，坯料脱模；
3)将步骤2)的成型坯料置于镦挤成型模具中，经压力作用进行塑性变形沿齿槽进行塑性流动并产生圆周方向旋转的推力，使坯料的头部镦粗，得到锻件；
锻件成型后，随着模具向上运动，锻件在向上顶出力的作用下产生向圆周方向的反推力并带动模具反向旋转，锻件脱模；
4)将步骤3)的锻件进行等温正火处理，使齿轮达到产品技术要求。
2.根据权利要求1所述的斜齿轮的冷挤压成型工艺，其特征是，所述的冷挤压模具包括：由外而内依次设置的模筒、凹模、上冲头和下顶杆，其中：模筒和凹模之间设有轴承，上冲头和下顶杆对应设置并与上下液压***相联，棒料位于上冲头和下顶杆之间；
所述的冷挤压凹模的齿槽口部位置设有定位孔和导向孔，其中：定位孔的齿槽底径、齿两侧和已经预成型的毛坯齿外径间隙为0.1mm，深度2-4mm，定位孔深度方向不设置斜角；导向孔位于定位孔的后部，导向孔齿槽两侧、齿槽底径分别设置10°的导向斜角。
3.根据权利要求2所述的斜齿轮的冷挤压成型工艺，其特征是，所述的冷挤压模具的上冲头通过设备滑块与上液压***相连，下顶杆与下液压***相连；
所述的上液压***包括：设备主液压***的液压缸、液压油路、主液压电子控制***，并和设备滑块连接，控制上冲头的行程、位置和设备挤压力；
所述的下液压***包括：设备顶出液压***的液压缸、液压油路、顶出液压电子控制***，该电子***和主控制***连接，实现同步控制的目的，同时控制下顶杆的行程、位置和保持力。
4.根据权利要求2所述的斜齿轮的冷挤压成型工艺，其特征是，所述的冷挤压模具、上液压***和下液压***分别与控制模块相连，该控制模块包括：压力控制单元、包括液压行程的正向和反向的行程控制的行程控制单元、限位及制动控制单元以及压力补偿单元，其中：压力控制单元与设备滑块、上模、下模顶杆相连并传输挤压力、顶出力等液压力信息，行程控制单元与设备滑块、上模、下模顶杆相连并传输挤压、顶出行程速度等信息，限位及制动控制单元与设备机械、电子限位相连并传输零件挤压到位后的制动、反向运动等信息，压力补偿单元与压力控制***相连并传输保持上下液压***压力按设定要求保持稳定输出和自动调整的信息。
5.根据权利要求2所述的斜齿轮的冷挤压成型工艺，其特征是，镦挤成型模具与冷挤压模具相比，上冲头的尺寸为适用于坯料头部镦粗的尺寸。
6.根据权利要求2所述的斜齿轮的冷挤压成型工艺，其特征是，所述的三种挤压速度行程是指：当棒料进入模具时，采用快速行程使棒料准确定位并导入模具；当棒料进行挤压时，采用逐步上升的挤压力，内部应力也会随之提高，此时的挤压速度配合压力的变化减慢，从而达到更大的挤压力；当棒料的挤压尺寸到位后，上冲头会延迟1～2秒，产生静压力，使齿槽填充完全。
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